NO125161B - - Google Patents

Description

Fremgangsmåte og apparat for undervanns-

signalering.

Denne oppfinnelse angår generelt det elektroniske om-

råde og er mer spesielt rettet mot et elektronisk system for bruk ved sonar-kommunikasjon. Mens både rom- og frekvensdiver-

sity har vært brukt hver for seg ved radio-kommunikasjon tidli-

gere, foreligger det ikke ved radio-kommunikasjon et så alvorlig problem på grunn av flerveis og blandet interferens på grunn av omgivelsene, som det man har ved sonar-signaloverføring under vann. Når et flertall fjerntliggende undervannsstasjoner skal kontrolleres eller styres fra ett enkelt kontrollpunkt, er det nødvendig at det er tilstede en høy grad av pålitelighet i for-bindelsen. Dette blir med foreliggende oppfinnelse oppnådd ved å anvende både rom- og frekvens-diversity, hvorunder det utsend-

te signal blir levert ved to forskjellige frekvenser og motta-

gerkretsen har i rom adskilte separate antenner slik at signalene av begge frekvenser kan bli mottatt av hver antenne. Ved å anven-

de diversity-kombineringsteknikk kan det bli oppnådd et mest sannsynlig utgangssignal som angir de meddelelser eller kommando-

er som er mottatt. Imidlertid blir denne pålitelighet ytterligere forhøyet som følge av det faktum at det blir utsendt en anrops-

tone som er særskilt for hver enkelt fjerntliggende utestasjon.

Denne anropstone blir brukt til å aktivere en strømforsyning for

de øvrige strømkretser. Uten at anropstonen blir mottatt av i det minste én av antennene, vil apparaturen ikke tre i funksjon. Videre blir påliteligheten oppnådd i apparaturen ved anvendelse

av en "hamming"-avstand som er større enn én mellom de signalko-

der som brukes for bestemmelse av hvilken funksjon som skal kontrolleres eller styres i den fjerntliggende stasjon. Selv om det blir brukt diversity-kombinering vil det således ikke bli noen feil i utgangen hvis feilene er få. Derimot vil utestasjonen gan-

ske enkelt ikke utføre noe i det hele tatt. Efter hver kontroll-operasjon blir et retursignal utsendt på to forskjellige frekven-

ser som angir den nye posisjon eller verdien av den kontrollerte funksjon og dette blir mottatt av to separate antenner på kontrollstasjonen.

Det er derfor. é<*>t formål med denne oppfinnelse å oppnå forbedret undervanns-signalering. ;Oppfinnelsen baserer seg på kombinasjonen av fire tek- ;nikker som i sammenheng med den særlige form for kommunikasjon som oppfinnelsen angår, medfører en meget større forbedring enn det man ville bli ledet til å anta ut fra betraktninger av påliteligheten av hver individuell teknikk separat. I denne for-bindelse skal det bemerkes at overføring av signaler under vann er utsatt for tallrike vanskeligheter som skyldes omgivelsesbe-tingelsene eller -forholdene. Uforutsebare flere forplantnings- ;veier og interferenstilstander opptrer og undertiden får man innvirkning av fiskestimer osv. De fire teknikker som i kombina- ;sjon utgjør grunnlaget for denne oppfinnelse er følgende: ;1. Anvendelse av et anrop- eller varselsignal for å angi eller utskille stasjonssignalet. 2. Bruk av signalkoderedundans, nemlig i det foretrukne system i form av feilkorreksjonskoder. ;3. Frekvens-diversity eller -mangfoldighet. ;4. Overføring langs flere forplantningsveier, realisert ved an-vendeIse av et flertall mottagere anbragt med avstand fra hverandre i rommet. ;Ved hjelp av den angitte kombinasjon blir det oppnådd meget god transmisjonspålitelighet fra senderstasjonen til mot-tager stas j onen til tross for de vanskelige omgivelsesbetingel-ser. Undervannssignalering basert på foreliggende oppfinnelse er derfor meget mer pålitelig enn tidligere kjente apparater som er brukt i forsøk på sonar-kommunikasjon under vann. ;Nærmere angivelser av oppfinnelsen samt de nye og sær-egne trekk ved den fremgangsmåte og det apparat for undervanns-signalering som oppfinnelsen omfatter er opptatt i patentkra-vene. ;Et eksempel på et system eller apparat i henhold til oppfinnelsen skal nå beskrives under henvisning til tegningene i hvilke: Figur 1 er et blokkdiagram av kontrollstasjonssystemet og ;figur 2 er et blokkdiagram av en fjernstyrt utestasjon. ;På figur 1 er det vist et operatørbord og fremvisnings-panel 10 som leverer en utgang til en kommandokoder 12 og mottar innganger fra en tidsstyrings-generator 14 og en svardeko-der 16. Tidsstyrings-generatoren 14 leverer også tidsstyringssignaler til koderen 12 og til dekoderen 16. Koderen 12 leverer utganger til en anropstonegenerator 18, en første frekvens mo-dulator 20 og en annen frekvensmodulator 22. Hver av disse blokker 18, 20 og 22 avgir innganger til en summeringsforsterker 24 hvis utgang blir ført gjennom en effektforsterker 26 til en sende/motta-vender 28. Venderen 28 leverer i sendestilling en utgang til en transduser mens den i mottagningsstilling mottar en inngang fra transduseren 30 og leverer denne til en for-forsterker 32. For-forsterkeren 32 leverer en utgang gjennom en frekvensomdanner 34 til hver av to forskjellige frekvensdetektorer 36 og 38„ Utgangene fra detektorene 36 og 38 blir ført til en diversity-kombineringsanordning 40 hvis utgang blir ført til dekoderen 16. En annen transduser 42 leverer signaler gjennom en for-forsterker 44 og derefter gjennom en frekvensomdanner 46 til to frekvensdetektorer 48 og 50. Utgangene av frekvensdetektorere 48 og 50 blir hver tilført diversity«kombineringsanordningen 40. I en utførelsesform for oppfinnelsen arbeider begge frekvensdetektorer 36 og 48 på samme frekvens slik som tilfelle er med frekvensdetektorene 38 og 50. ;På figur» 2 leverer en første transduser eller antenne-anordning 60 signaler til en frekvensomdanner 62 gjennom en for-forsterker 64. Utgangen av frekvensomdanneren 62 blir påtrykket en anropstonedetektor 66 såvel som en første og en annen frekvensdetektor henholdsvis 68 og 70. En annen transduser eller antenne-anordning 72 leverer signaler til en sende/motta-vender 74 når denne er i sin mottagningsstilling og derfra gjennom en for-forsterker til en frekvensomdanner 78. En utgang fra frekvensomdanneren 78 blir ført til en første og en annen frekvensdetektor 80, henholdsvis 82, samt til en anropstonedetektor 84. Utgangene fra detektorene 66 og 84 blir ført til et strømforsyningskontroll-system 86 som er forbundet med et akkumulatorbatteri 88 eller en annen strømkilde for å avstedkomme en utgang efter mottagning av en anropstone fra detektoren 66, henholdsvis 84. Denne strøm blir levert til de strømkretser som er nødvendig (forbindelser er ikke vist) i utestasjonen i tillegg til frekvensomdannerne 62 og 78. Utgangene av detektorene 68, 70, 80 og 82 blir alle ført til en diversity-kombineringsanordning 90 hvis utgang blir ført til en kommandodekoder 92. Dekoderen 92 leverer signaler til en tids-styringsgenerator 94 og mottar dessuten signaler fra denne. Dekoderen 92 avgir også signaler til en binærstyrings-mellomkobling 96 og til en inkrementalstyrings-mellomkobling 98. De to mellom-koblingsblokker omdanner de digitale signaler fra dekoderen 92 til korrekte signaler for den spesielle funksjon som skal kontrolleres eller styres. Tidsstyringsgeneratoren 94 leverer tidsstyringssignaler til mellomkoblingene 96 og 98 såvel som ;til en følertilstands-mellomkobling 100 og en binærtilstands-mellomkobling 102. Hver av mellomkoblingene 100 og 102 mottar tilstandsinformasjon fra forskjellige funksjoner og leverer denne informasjon til en status- eller tilstandsenkoder 104 ;som også mottar tidsstyringssignaler fra generatoren 94. Enkoderen 104 leverer utgangssignaler til hver av to modulatorer 106 og 108 hvis utganger hver blir tilført en■summeringsforsterker 110. Utgangen av summeringsforsterkeren 110 blir gjennom en effektforsterker 112 ført til sende/motta-venderen 74. Når venderen 74 er i sendestilling, blir signaler fra effektforsterkeren 112 levert til transduseren 72. ;De forskjellige frekvensomdannere som det er henvist til ovenfor, kan ha form av hvilken som helst av flere typer modulatorer. Imidlertid er ett eksempel på slike angitt i en bok med tittel Frequency Changers av Irving M. Gottlieb, utgitt av W. Sams Co., Inc. og the Bobbs-Merrill Co., Inc., side 103 og figur 3-9. Detektorene kan på sin side også være av forskjellige typer, hvorav en er beskrevet i Transistors in Radio and Television av Milten S. Kiver og utgitt av McGraw-Hill Book Co., Inc. i 1956. Et eksempel på kretser som kan anvendes i disse blokker, ;er å finne på sidene 188 og 189 i den sistnevnte bok. Diversity-kombineringsanordningene 40 og 90 kan være av hvilken som helst egnet type, f.eks. som vist i en artikkel i Proceedings of the IRE for juni 1969, side 1075 til 1102 med tittel "Linear Diversity Combining Techniques" av D.G. Brennan. Resten av blokkene i systemet er i enda høyere grad av standard-utførelse og innen-for det område som beherskes av fagfolk, slik at ytterligere omtale ikke skal gis her. ;Under drift blir en spesiell funksjon som skal kontroll»-» eres eller styres, utvalgt ved hjelp av kontrollbordet 10. Ut-velgningen kan ganske enkelt bestå i å bestemme tilstanden av ett eller annet objekt ved utestasjonen, så som temperatur eller størrelse eller den kan innebære en binær funksjon eller endring av tilstanden, så som en vender som skal omstilles fra en PÅ-stilling til en AV—stilling, eller den kan omfatte en inkremental*-» funksjon, så som endring av en diafragma—åpning fra én størrelse til en annen størrelse av mange mulige eller tilgjengelige større eiser. Denne operasjon blir satt opp og styringen eller kon-trollen blir iverksatt gjennom kommandoenkoderen. Først sender en anropstonegenerator et signal til transduseren 30 for å angi den særskilte utestasjon som skal spørres eller styres. Som tidligere angitt, har hver utestasjon sin egen særskilte tone.

En kort tidsperiode derefter blir så en kommando levert til hver av modulatorene 20 og 22, idet kommandoen er nøyaktig den samme for begge modulatorer. Disse kommandoer kan ha en binær eller digital form og utgangene kan være av den type som er betegnet frekvensskiftnøklet. Med andre ord har en "ener" én frekvens mens et "null" har en nærliggende, men forskjellig frekvens.

I én utførelsesform for oppfinnelsen hadde de grunnliggende frekvenser for de to modulatorer en forskjell på omkring 1 KHz, mens frekvensene for henholdsvis "enere" og "null" i hver av modulatorene hadde en forskjell mindre enn 100 Hz.

Det skal nå henvises til figur 2. Under ideelle betingelser vil de signaler som utsendes fra transduseren 30 bli mottatt av hver av transduserne 60 og 72 og begge frekvenser vil bli mottatt i hver av disse. Hvert av signalene blir påtrykket gjennom de tilhørende for—forsterkere 64 og 76 og fre« kvensomdannerne 62 og 78 til de forskjellige detektorer 68, 70, 80 og 82. Hvis imidlertid anropstonen ikke har blitt mottatt av noen av transduserne 60 og 72, ville anropstonedetektorene

66 og 84 ikke ha avgitt signalet til styresystemet 86 for energi-sering av de øvrige strømkretser. Følgelig ville signalene ikke gå lenger. Det vil imidlertid her bli antatt at anropstone-signalet ble mottatt av minst én av detektorene 66 og 84 slik at de øvrige styre— eller kontrollkretser blir energisert. Under disse betingelser vil diversity—kombineringsanordningen 90 enten utvelge det beste av de mottatte signaler eller anvende en eller annen utvelgningsmetode til å bestemme hvilket signal som sann-synligvis er korrekt for avgivelse av en utgang til dekoderen 92. Som det fremgår av de tidligere bemerkninger, kan omgivelses-

og flerveisforplantning-betingelser under vann ikke forutsies nøyaktig. Selv om et utsendt signal med én frekvens kan være fullstendig blokert fra begge transdusere 60 og 72, kan en annen frekvens nå den ene eller begge disse transdusere. Selv om det bare er vann mellom senderen og hver av transduserne, kan omgivelsene videre være av en slik art at bare én av transduserne

mottar et signal. Endelig kan mange andre forhindringer så som fiskestimer etc. virke til å forstyrre mottagningen av et signal i en av transduserne. Mens således i de fleste tilfeller alle fire signaler vil bli mottatt, vil det også være noen tilfeller da bare ett enkelt signal blir mottatt. Når bare ett enkelt signal blir mottatt, vil diversity-kombineringsanordningen 90 ikke ha noe problem med å utvelge det beste signal. Det kan imidlertid være tilfeller hvor et signal blir mottatt og dette bare er marginalt, slik at diversity-kombineringsanordningen må undersøke de forskpllige signaler for å bestemme hvilket som mest sannsynlig er det korrekte signal.

Det skal også bemerkes at blokeringen av signalene også er et resultat av utbalansering eller kansellering på grunn av de mange forplantningsveier for signalet som kommer fra forskjellige retninger. Dette vil bevirke at et signal gradvis svekkes og forsterkes over en tidsperiode (fading). For å oppnå den beste virkemåte av systemet bør transduserne 60 og 70 være adskilt med en innbyrdes avstand på flere bølgelengder ved arbeidsfrekvensen.

I tillegg til anvendelse av diversity-prinsippet inneholder det kommandosignal som blir utsendt, redundans eller over-flødig informasjon. Slik som tidligere nevnt, blir det først brukt en anropstone som er særegen for en spesiell utestasjon, f.eks. en oljebrønn. Det kodede signal inneholder også et tall i koden som ytterligere er særegent for utestasjonen. Det blir så meddelt et funksjonsord for å angi hvilken funksjon som skal styres eller kontrolleres. I én utførelsesform for oppfinnelsen var bare fire bits nødvendig for å bestemme hver av seksten funksjoner. Det ble imidlertid anvendt tre ekstra bits for feildeteksjon. Den styring eller kontroll som iverksettes blir også ytterligere sikret ved hjelp av ekstra feildeteksjonsbits. Denne utnyttelse av ekstra bits for å avstedkomme større pålitelighet er kjent som "hamming" og en beskrivelse av anvendelsen av "hamming" kan finnes i en bok av W. Wesley Petersen med tittel Error Correcting Codes utgitt i 1962, se spesielt sidene 7 og 8.

Dette kodede kommandosignal blir således dekodet i dekoderen 92 og kommandoen sendt til vedkommende funksjon gjennom en av mellomkoblingene 96 eller 98. Mellomkoblingen 96 blir brukt for overgang til binære kommandoer, så som vendere, mens blokken 98 blir brukt for overgang til variable kontroll-eller styrefunksjoner. Således leverer dekoderen 92 et utgangssignal til tidsstyringsgeneratoren 94 for å starte avtastnings-funksjonen efter at kommandoen er blitt gitt vedrørende denne funksjon. Det avtastede signal blir så levert til de to modulatorer 106 og 108. Dette signal blir levert til hver av modulatorene som to signaler med forskjellig frekvens hvis innbyrdes avstand angir den avtastede funksjon. Denne tidsavstand kan være fast slik som i tilfelle av en binærfunksjon eller den kan være variabel slik som i tilfelle av en inkrementalt kontrollert funksjon. Signalene blir så sendt tilbake til kontrollstasjonen gjennom transduserne 72 og 60.

På tilsvarende måte som beskrevet for mottagning av signaler i utestasjonen på figur 2, mottar kontrollstasjonen på figur 1 retursignalene i de adskilte transdusere 30 og 42 og påtrykker disse på frekvensdetektorer som igjen diversity-kombinerer retursignalene for å fremvise eller presentere retur— informasjonen på fremvisningspanelet 10. Hvis det ikke blir mottatt noe retursignal efter en forutbestemt tidsperiode, blir det angitt en feil på fremvisningspanelet slik at operatøren blir gjort oppmerksom på at utestasjonen enten ikke har mottatt signalet, eller at retursignalet er gått tapt. Det kan således foretas en undersøkelse for å bestemme hva som eventuelt er galt.

Som sammenfatning kan det derfor bemerkes at foreliggende oppfinnelse utnytter frekvens—diversity i senderen og rom-diversity ved mottageren slik at fordelene med begge blir kombinert for å avstedkomme styre— eller kontrollfunksjonene og svarene. I tillegg blir det anvendt et spesielt kodet signal for å avstedkomme feildeteksjon under hvert trinn i operasjonen.

Denne feildeteksjon blir anvendt i form av en særskilt tone for hver utestasjon såvel som en stasjonskode særegen for hver stasjon. Videre blir det brukt ekstrabits i hvert ord slik at "hamming"-avstanden blir tilstrekkelig stor til i vesentlig grad å redusere mulighetene for feil ved mottagningen.

Claims (8)

1. Fremgangsmåte for undervannssignalering ved hjelp av signaler omdannet til digital kode som blir utsendt og mottatt av transdusere, hvilke signaler innbefatter elementer uten informasjon, karakterisert ved kombinasjonen av føl-gende i og for seg kjente trekk bestående i at koden omfatter re-dundante eller overflødige elementer for å forbedre transmisjo-nens pålitelighet på i og for seg kjent måte, at informasjonen overføres på et flertall frekvenser, at signalet blir mottatt på mottagerstasjonen ved hjelp av et flertall transdusere som be-finner seg i innbyrdes avstand fra hverandre og hver er i stand til å motta mer enn én av frekvensene, i hvilken mottagerstasjon de mottatte signaler blir overvåket og det beste signal utvalgt for dekodning i overensstemmelse med et forutbestemt kriterium, og at det forut for signalet kommer et anrop- eller varselsignal ved hjelp av hvilket den nevnte stasjon gjøres beredt til å motta utelukkende vedkommende sending.

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at den nevnte kode er en i og for seg kjent feilkorreksjons-kode.

3. Fremgangsmåte ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at det mottatte signal automatisk blir gjenutsendt til senderen hvor eventuelt en manglende mottagelse av det gjen-utsendte signal innen en forutbestemt tid efter at det ble sendt, resulterer i at det frembringes et alarmsignal.

4. Apparat for undervannssignalering for utførelse av frem-gangsmåten ifølge et av de foregående krav, omfattende en sender-stasjon og i det minste én mottagerstasjon, hvis sende- og mot-tagerelementer omfatter transdusere, karakterisert ved at senderstasjonen omfatter en signalkoder (12), i det minste to modulatorer (20,22) som arbeider på adskilte frekvenser, en anrops-signalgenerator (18) og et konvensjonelt effektutgangs-trinn (24,26,30), og at mottageren omfatter i det minste to transdusere (60,72) som er plasert med innbyrdes avstand fra hverandre og som hver mottar signaler som har i det minste to frekvenser og skriver seg fra sendermodulatorene, en deteksjons-kanal (76,78,80,82,84) tilforordnet hver transduser og som hver har en varselsignaldetektor (84) påvirkbar når det opptrer et anropssignal i mottagerstasjonen, for innkobling av strømforsy- ninger for mottagerstasjonen og en detektor (80,82) tilforordnet hver frekvensoverføring, en anordning (90) for utvelging av det beste signal som leveres av detektorene for dekodning, og en dekoder (92) for omdannelse av det detekterte og utvalgte signal til den opprinnelige informasjon.

5. Apparat ifølge krav 4, karakterisert ved at mottagertransduser ne (60,72) har en innbyrdes avstand på flere bølgelengder av arbeidsfrekvensene.

6. Apparat ifølge krav 4 eller 5, karakterisert ved at mottagerstasjonene har en sendekanal (104,106, 108,110,112,74) omfattende en signalkoder (104) og i det minste to modulatorer (106-, 108) som arbeider på adskilte frekvenser for å sende tilbake svarinformasjon ved hjelp av de nevnte transdusere (72,60) på mottagerstasjonen, og at senderstasjonen omfatter i det minste to deteksjonskanaler (32,34,36,38 og 44,46,48,

50) som hver er forbundet med en tilhørende transduser (30,42), hvor hver av de nevnte deteksjonskanaler omfatter en detektor (36,38) tilforordnet hver frekvensoverføring fra mottagerstasjonen, en dekoder (16) for omdannelse av de detekterte signaler til den opprinnelige informasjon, og en kombineringsanordning (40) for utvelgning av det beste signal som leveres av detektorene for dekodning.

7. Apparat ifølge krav 6, karakterisert ved at transduseren (30,72) som brukes for sending drives via en sende/motta-vender (28,74) som er forbundet med mottagersiden av den ene av deteksjonskanalene (32,34,36,38; 76,78,82,84).

8. Apparat ifølge et av kravene 4 til 7, karakterisert ved at det er anordnet et flertall mottagerstasjo-ner som hver er påvirkbar av et forutbestemt og særskilt anropssignal.